Logika és informatikai alkalmazásai. Wednesday 17 th February, 2016, 09:03

Átírás

1 Logika és informatikai alkalmazásai Wednesday 17 th February, 2016, 09:03

2 A logika rövid története 2

3 A logika rövid története Ókor Triviális: A trivium szóból származik trivium (tri+via = három út): nyelvtan, retorika, logika a trivium az alapja a quadrivium (aritmetika, geometria, zene, asztronómia) megismerésének. Szofisták: formális érvelés, paradoxonok Hazug paradoxon: Én most hazudok. Dolgozatírás paradoxona: A jövő hét valamelyik napján dolgozatot írtok. Nem mondom meg, melyik napon, csak azt, hogy meg fogtok lepődni.

4 A logika rövid története 4 Ókor Axiomatikus módszer: Euklidesz Geometriai tételeket tisztán logikai úton axiómákból bizonyított, a geometria axiomatikus felépítése. Néhány euklideszi axióma: Bármely két ponton át húzható egyenes. Minden középpontból minden sugárral lehet kört rajzolni. (Párhuzamossági axióma) Ha két egyenest úgy metsz egy harmadik egyenes, hogy a metsző egyenes egyik oldalán keletkező szögek összege kisebb 180 foknál, akkor az első két egyenes is metszi egymást. Ekvivalens alak: Bármely egyeneshez, bármely rajta kívül fekvő ponton át legfeljebb egy párhuzamos egyenes húzható.

5 A logika rövid története század: Leibniz Logika tanulmányozására matematikai módszereket javasolt. Univerzális problémamegoldó gépies eljárás gondolata. 19. század közepe 19. század vége A logika algebraizálása: Boole, Schröder, De Morgan, Pierce Logikai fogalmakat algebrai fogalmakkal modelleztek. Boole algebra, relációalgebra

6 A logika rövid története század vége 20. század első fele Ellentmondások az anaĺızisben, naiv halmazelméletben Cauchy,,tétele folytonos függvénysor összegéről Russel paradoxona: Az összes halmazok H halmazának számossága megegyezik hatványhalmazának számosságával, hiszen H tartalmazza minden részhalmazát. Az összes, önmagukat nem tartalmazó halmazok halmaza. A logika mint a matematika formális nyelve (bizonyítások pontossága). Frege formális rendszere (formális nyelv, levezetési szabályok) és alkalmazása az aritmetikára. Russell-Whitehead: Principia Mathematica ( ). A matematika addigi ismeretei nagy részének axiomatikus tárgyalása a formális logika nyelvén. A halmazelméleti ellentmondások feloldása az osztályfogalmat bevezető formális rendszerben.

7 A logika rövid története Hilbert programja: az egész matematika axiomatikus megalapozása és konzisztenciájának bizonyítása véges eszközökkel. Hilbert kalkulus: Gödel teljességi tétele. Gödel nemteljességi tételei. 1 Ha egy axiómarendszer elegendően erős (kifejező) és ellentmondástalan, akkor mindig lesz olyan álĺıtás, hogy sem ő, sem tagadása nem igazolható az axiómákból. 2 Egy axiómarendszer ellentmondástalansága általában nem bizonyítható az axiómarendszeren belül. Hilbert programja megvalósíthatatlan. Church-Turing kiszámíthatóság (1930-as évek). Church tétele: Az elsőrendű logika eldönthetetlen. Az aritmetika (a természetes számok elsőrendű elmélete) eldönthetetlen.

8 A logika rövid története század közepétől: Logika a számítástudomány jegyében Kombinatorikus és szekvenciális áramkörök tervezése. Automaták és formális nyelvek elmélete. Adatbázisok és lekérdező nyelvek. Logikai programozás. Programtervezés. Rendszerek verifikációja. Mesterséges intelligencia (szakértői rendszerek, gépi tanulás). Bonyolultságelmélet. Programozási nyelvek szemantikájának elmélete.

9 Az előadás felépítése 9

10 Felépítés Predikátumkalkulus és ítéletkalkulus. A logikai programozás alapjai. Heterogén és másodrendű logikák. Rendszerek specifikációja és verifikációja: Temporális logikák. Hoare kalkulus.

11 Logikai rendszerek 11

12 Főbb komponensek és kérdések Modellek. Szintaxis: formulák. Szemantikus fogalmak: mikor elégül ki (érvényes) egy formula egy modellben,... Bizonyításelmélet (formális rendszerek). Helyesség és teljesség. Algoritmikus kérdések.

13 Az elsőrendű nyelv modelljei Elsőrendű struktúrák komponensei Egy nemüres halmaz, az univerzum. Az univerzumon értelmezett függvények és relációk (vagy predikátumok). Minden függvény felfogható relációként. Példa: Irányított gráfok Csúcsok (nemüres) halmaza: V Él reláció: E V 2 (vagy E : V 2 {0, 1})

14 Az elsőrendű nyelv modelljei Példa: Természetes számok struktúrája Természetes számok {0, 1,...} halmaza: N A rákövetkezés művelete: : N N Az összeadás és szorzás műveletei: +, : N 2 N A 0 konstans: 0 : N 0 N (vagy 0 N) A rendezési reláció: < N 2 (vagy <: N 2 {0, 1}) Példa: Valós számok struktúrája Valós számok halmaza: R Az összeadás, szorzás és kivonás műveletei: +,, : R 2 R A 0, 1 R konstansok A rendezési reláció: < R 2

15 Az elsőrendű nyelv szintaxisa 15

16 Jelkészlet 1 Elsőrendű változók, vagy individuum változók: x, y,..., x 1, y 1,... 2 Függvényjelek, vagy függvényszimbólumok: f, g,..., f 1, g 1,... 3 Predikátumjelek, predikátumszimbólumok, vagy relációszimbólumok: p, q, r,..., p 1, q 1, r 1,... 4 Logikai jelek:,,,,,,,, 5 Elválasztó jelek: ), ( és,. A változók halmaza megszámlálhatóan végtelen, a függvény- és predikátumszimbólumok halmaza véges vagy megszámlálhatóan végtelen. Minden függvényszimbólumra és predikátumszimbólumra adott a szimbólum rangja, vagy aritása, amely nemnegatív egész szám. 0 aritású függvényjel: konstans, vagy konstansszimbólum.

17 Az elsőrendű nyelv szintaxisa Az egyenlőséges elsőrendű logikában egy bináris relációszimbólum kitüntetett: =. Definíció A termek halmaza a legszűkebb olyan halmaz, melyre teljesül: Példa Minden változó term. Ha t 1,..., t n termek, f pedig n-rangú függvényjel, akkor f(t 1,..., t n ) is term. (n = 0 esetén ez maga az f konstansjel.) f(g(x, h(y)), c), ahol f, g 2-rangú függvényjelek, h 1-rangú függvényjel, c konstansjel, x, y változók. Egy term alapterm, ha nem fordul elő benne változó.

18 Az elsőrendű nyelv szintaxisa Állítás Minden term egyértelműen olvasható, azaz vagy változó, vagy egyértelműen írható f(t 1,..., t n ) alakban, ahol f függvényjel, t 1,..., t n termek. Megjegyzés Az f(t 1,..., t n ) term a lengyel jelölésben ft 1... t n, ahol t 1,..., t n rendre a t 1,..., t n lengyel jelölése. Fordított lengyel jelölésben t 1... t nf, ahol t 1,..., t n rendre a t 1,..., t n fordított lengyel jelölése. Egy további reprezentáció: fa reprezentáció. Példákban gyakran használunk infix írásmódot is, pl. t + t.

19 Definíció Atomi formula egy p(t 1,..., t n ) alakú kifejezés, ahol p egy n-rangú predikátumszimbólum, t 1,..., t n pedig termek. (Ez maga a p jel, ha n = 0.) A formulák halmaza a legszűkebb olyan halmaz, melyre teljesül: 1 Minden atomi formula egyben formula is. 2, formulák. Ha F, G formulák, akkor (F G), (F G), (F G), (F G) és ( F ) is formulák. 3 Ha F formula, x változó, akkor ( xf ) és ( xf ) is formulák. Megjegyzés A szokásos precedencia szabályokkal élve gyakran elhagyjuk a külső, és a feleslegessé váló zárójeleket. Egy F (G H) formulát F G H alakban is írunk. Példa p(x, f(y)) ( z (q(x, z))), ahol x, y, z változók, f 1-rangú függvényjel, p, q 2-rangú predikátumjelek. 19

20 Az elsőrendű nyelv szintaxisa 20 Állítás Minden formula egyértelműen olvasható. Definíció Legyenek F és G formulák. F a G közvetlen részformulája, ha G ( F ), (F H), (H F ) vagy (QxF ) alakú, ahol {,,, } és Q {, }, H formula, x változó. F a G részformulája, ha létezik a formulák olyan H 0,..., H n, n 0 sorozata, hogy H 0 = G, H n = F és H i a H i 1 közvetlen részformulája, i = 1,..., n esetén. Állítás Egy F formula pontosan akkor a G formula részformulája, ha G feĺırható G = uf v alakban alkalmas u, v szavakra, azaz ha F részszóként előfordul G-ben.

21 Az elsőrendű nyelv szintaxisa Definíció Legyen F formula, G az F egy QxH alakú részformulája. Ekkor az x H-ban való előfordulásai kötöttek. Az x egy F -ben való előfordulása szabad, ha nem kötött. Példa Az alábbi formulában az aláhúzott változó-előfordulások kötöttek, a többi szabad: x ( p(x, y) z(q(x, y) r(x, z)) ) q(x, x) Definíció Zárt formulának vagy mondatnak nevezünk egy olyan formulát, melyben egyetlen változó sem fordul elő szabadon. Példa x yp(f(x, y)) mondat.

22 Az elsőrendű nyelv szemantikája 22

23 Szemantika Legyen L elsőrendű nyelv (mely a függvény- és predikátumszimbólumokkal adott). Definíció L-típusú struktúra egy olyan A = (A, I, ϕ) hármas, ahol 1 A nemüres halmaz, 2 I minden f n-rangú függvényszimbólumhoz egy I(f) : A n A függvényt, és minden n-rangú p predikátumszimbólumhoz egy I(p) : A n {0, 1} predikátumot (vagy relációt) rendel, 3 ϕ minden változóhoz az A egy ϕ(x) elemét rendeli.

24 Szemantika Megjegyzés Az n = 0 esetben I(f)-et az A, I(p)-t a {0, 1} halmaz egy elemével azonosíthatjuk. Néha a struktúra harmadik komponensét elhagyjuk, ekkor struktúra egy (A, I) pár. Amennyiben a nyelv egyenlőséges, kikötjük, hogy I(=) az A halmazon értelmezett egyenlőségi predikátum. Definíció Legyen t term, A = (A, I, ϕ) struktúra. Ekkor a t által az A struktúrában jelölt A(t) A elemet az alábbi módon definiáljuk: 1 t = x. Ekkor A(t) = ϕ(x). 2 t = f(t 1,..., t n ). Ekkor A(t) = I(f)(A(t 1 ),..., A(t n )). I(f) helyett gyakran f-et, I(p) helyett p-t írunk.

25 Szemantika Példa Legyenek +, 2-rangú függvényjelek, 1-rangú függvényjel, 0, 1 konstansjelek, < 2-rangú predikátumszimbólum. N = (N, I, ϕ), ahol 1 N = {0, 1, 2,... }, 2 I( ) a rákövetkezési függvény, I(+) és I( ) az összeadás és szorzás függvények, I(0) = 0, I(1) = 1, I(<) a szokásos rendezés, 3 ϕ(x) = 2, ϕ(y) = 3,... Ekkor: 1 t = (x + 1) y, N (t) = 9, 2 t = (x y) + 0, N (t) = 6, 3 t = (0 + 1) 1, N (t) = 1.

26 Szemantika 26 Definíció Legyen A = (A, I, ϕ) struktúra, x változó, a A. Ekkor A [x a] az (A, I, ϕ ) struktúra, ahol { ϕ ϕ(y) ha y x (y) = a különben.

27 Szemantika 27 Definíció Legyen F formula, A = (A, I, ϕ) struktúra. Az F értéke az A struktúrában az alábbi A(F ) {0, 1} érték: Ha F a p(t 1,..., t n ) atomi formula, akkor A(F ) = I(p)(A(t 1 ),..., A(t n )). Ha F = vagy F =, akkor sorrendben A(F ) = 0 ill. A(F ) = 1. Ha F = G H, ahol {,,, }, akkor A(F ) = A(G) A(H). Ha F = G, akkor A(F ) = (A(G)).

28 Szemantika Ha F = xg, { akkor 1 ha van olyan a A, hogy A(F ) = A[x a] (G) = 1 0 különben. Ha F = xg, { akkor 1 ha bármely a A-ra A(F ) = A[x a] (G) = 1 0 különben.

29 Szemantika 29 Megjegyzés Amennyiben A(F ) = 1, az A = F vagy az A Mod(F ) jelölést is használjuk, és azt mondjuk, hogy A kielégíti az F formulát, vagy modellje az F formulának. Ellenkező esetben az A = F jelölést használjuk. Példa Legyen N = (N, I, ϕ) ahol N és I a korábban megadottak. Ha ϕ(x) = 0, akkor N = y(y < x). Ha ϕ(x) = 3, akkor N = y(y < x). Tetszőleges ϕ esetén N modellje az alábbi formulák mindegyikének: x < x + 1, x(x < x + 1) x ( x x = x (x = 0 x = 1) ) x y(x < y y < x x = y)

30 Szemantika 30 Állítás Legyen t term, F formula és legyenek A = (A, I, ϕ) és A = (A, I, ϕ ) struktúrák. 1 Ha ϕ(x) = ϕ (x) minden olyan x változóra, mely előfordul t-ben, akkor A(t) = A (t). 2 Ha ϕ(x) = ϕ (x) minden olyan x változóra, mely szabadon előfordul F -ben, akkor A(F ) = A (F ). Következmény A fenti jelölésekkel, A(t) független minden olyan változó értékétől, mely nem fordul elő t-ben. Továbbá A(F ) független minden olyan változó értékétől, mely nem fordul elő szabadon F -ben. Ezért ha F mondat, akkor értelmes arról beszélni, hogy A = F teljesül-e egy A = (A, I) változó-hozzárendelés nélküli struktúrában.

31 Szemantika Bizonyítás 1 t = y. Ekkor A(t) = ϕ(y) = ϕ (y) = A(t ). 2 t = σ(t 1,..., t n ). Ekkor tetszőleges i esetén ϕ(x) = ϕ (x) minden olyan x változóra, amely t i -ben előfordul. Ezért A(t) = I(f)(A(t 1 ),..., A(t n )) = I(f)(A (t 1 ),..., A (t n )) = A (t)

32 32 Szemantika Bizonyítás 1 F = p(t 1,..., t n ). Ekkor tetszőleges i esetén ϕ(x) = ϕ (x) minden olyan x változóra, amely t i -ben előfordul. A(F ) = I(p)(A(t 1 ),..., A(t n )) 2 F = vagy F =. Triviális. = I(p)(A (t 1 ),..., A (t n )) = A (F ) 3 F = G H. Ekkor ϕ(x) = ϕ (x) minden olyan x változóra, amely szabadon előfordul G-ben vagy H-ban. Ezért A(F ) = A(G) A(H) = A (G) A (H) = A (F ) 4 F = G. Hasonló az előző esethez. 5 F = Qy.G. Tetszőleges a A esetén legyen A [y a] = (A, I, ψ a ) és A [y a] = (A, I, ψ a), ekkor ψ a (x) = ψ a(x) valahányszor x szabadon előfordul G-ben. A(F ) = 1 Qa A [y a] = 1 Qa A [y a] = 1 A (F ) = 1

33 Szemantika Definíció 1 Egy F formulát kielégíthetőnek nevezünk, ha van modellje. Ellenkező esetben F kielégíthetetlen, vagy azonosan hamis. 2 Egy F formulát tautológiának (vagy érvényesnek vagy azonosan igaznak) nevezünk, ha minden struktúra kielégíti. Jelölés: = F. Példa Tautológiák:, F F, F F, F G F, ahol F, G tetszőlegesek. Kielégíthető formulák, melyek nem tautológiák: (p q) p, xp(x). Azonosan hamis:, F F, ahol F tetszőleges.

34 Szemantika Állítás F akkor és csak akkor kielégíthető, ha F nem tautológia. F akkor és csak akkor tautológia, ha F azonosan hamis. Állítás Tetszőleges F formulára és x változóra: 1 = F akkor és csak akkor, ha = xf. 2 F akkor és csak akkor kielégíthető, ha xf az. Tehát egy formula akkor és csakis akkor azonosan igaz, ha univerzális lezártja az, és akkor és csak akkor kielégíthető, ha egzisztenciális lezártja az.

35 Szemantika Definíció Azt mondjuk, hogy az F és G formulák ekvivalensek, ha Mod(F ) = Mod(G). Jelölés: F G. Állítás ekvivalencia-reláció. Állítás = F akkor és csak akkor, ha F.

36 Szemantika Állítás F G akkor és csakis akkor, ha = (F G). Bizonyítás Mod(F ) = Mod(G) A (A = F és A = G) vagy (A = F és A = G) A A = ((F G) ( F G)) A A = (F G).

37 Szemantika,, F F, F, F, F F F, F F, F F, F F F F, F F F, F F F G G F, F G G F (F G) H F (G H), (F G) H F (G H) F (G H) (F G) (F H), F (G H) (F G) (F H) F F, F F F F (F G) F G, (F G) F G F G F G, F G (F G) F G G F F G F G, F G (F G) F G (F G) (G F )

38 Szemantika 38 1 ( xf ) x( F ) és ( xf ) x( F ). 2 xf xg x(f G) és xf xg x(f G). 3 Ha x nem fordul elő szabadon G-ben, akkor Q =, esetén QxF G Qx(F G) és QxF G Qx(F G). 4 x yf y xf és x yf y xf. Megegyezünk abban, hogy a kvantorok erősebben kötnek, mint,, vagy. Az ekvivalenciák miatt elegendő lenne a,, a,, a, vagy a, jeleket, valamint valamelyik kvantort megengedni.

39 Szemantika 39 x(f G) xf xg általában nem teljesül. Legyen pl. F a 0 x, G az x 0 formula, és vegyük az egész számokat a szokásos rendezéssel. x(f G) xf xg általában nem teljesül. Legyen F a 0 < x, G az x < 0 formula, és vegyük az előző struktúrát.

40 Szemantika Lemma (Kongruencia tulajdonság) Ha F F és G G, akkor F G F G, ahol {,,, }. Ha F F, akkor F F. Ha F F, akkor QxF QxF, ahol Q {, } és x változó. Bizonyítás A(F G) = A(F ) A(G) = A(F ) A(G ) = A(F G ). A( F ) = A(F ) = A(F ) = A( F ). A = xf a A A [x a] = F a A A [x a] = F A = xf.

41 Szemantika 41 Állítás Ha az F formula úgy áll elő az F formulából, hogy az F egy H részformuláját ekvivalens H formulára cseréljük, akkor F F. Bizonyítás Az F felépítése szerinti indukcióval. Ha H maga az F formula, akkor F = H, így F F teljesül a H H feltevés miatt. Ez az eset magába foglalja az indukciós alaplépést. Indukciós lépés. Feltehető, hogy F H. Csak két esetet nézünk meg:

42 Szemantika 42 F = F 1 F 2. Ekkor H az F 1 vagy F 2 részformulája. Szimmetria miatt elegendő csak azzal az esettel foglalkozni, amikor H az F 1 részformulája. Ekkor F = F 1 F 2, ahol F 1 úgy áll elő F 1 -ből, hogy benne egy H részformulát H -vel kicserélünk. Az indukciós feltevésből: F 1 F 1. Az előző lemmából: F F. F = xg. Ekkor H a G részformulája és F = xg alakú, ahol G úgy áll elő G-ből, hogy benne a H egy előfordulását H -vel helyettesítjük. Indukciós feltevésből: G G, így az előző lemmából F F.

43 Szemantika Definíció Legyen Σ formulák egy halmaza. Azt mondjuk, hogy az A struktúra kielégíti Σ-t, vagy a Σ modellje, ha A = F teljesül minden F Σ formulára. Jelölés: A = Σ vagy A Mod(Σ). A Σ halmazt kielégíthetőnek nevezzük, ha létezik modellje. Definíció Legyen Σ formulák halmaza, F pedig formula. Azt mondjuk, hogy F a Σ (logikai) következménye, ha Mod(Σ) Mod(F ), azaz valahányszor A = Σ, mindig A = F. Jelölés: Σ = F. Amennyiben Σ = {G}, akkor Σ = F helyett G = F -et is írunk.

44 Szemantika Állítás Σ akkor és csakis akkor kielégíthetetlen, ha Σ =. Állítás Σ = F akkor és csak akkor, ha Σ { F } kielégíthetetlen. Állítás F G akkor és csak akkor, ha F = G és G = F.

45 Szemantika Állítás Tetszőleges F, G, H formulákra érvényesek az alábbiak: {F, F G} = G (leválasztás). {F, G F } = G (indirekt következtetés). (F G) ( F H) = G H (rezolúciós következtetés). Bizonyítás Ha A(F ) = A(F G) = 1, akkor A(G) = 1. Ha A(F ) = A( G F ) = 1, akkor A( F ) = 0, így A(G) = 1. Tegyük fel, hogy A(F G) = A( F H) = 1. Ha A(G) = 0, akkor A(F ) = 1, így A( F ) = 0 és A(H) = 1.

46 Formalizálás 46

47 Formalizálás 47 Adott egy struktúra, vagy strukúrák egy osztálya, melyek az összes olyan mondatok, amelyek érvényesek a tekinett struktúrákban? Adott mondatok egy Σ halmaza, az axiómák, melyek ezek összes logikai következményei? Elsőrendű elméletek

48 Formalizálás Példa: Természetes számok elmélete, az aritmetika N a természetes számok szokásos struktúrája. Az N -ben érvényes mondatok: az N elmélete. x y 1 y 2 y 3 y 4 (x = y1 2 + y2 2 + y2 3 + y2 4 ) (Lagrange tétele) x y(y > x prím(y) prím(y + 2)) prím(x): x > 1 y z(x = y z (y = 1 z = 1)) (Goldbach sejtés) Példa: félcsoportok elmélete Egyetlen axióma: x y z(x y) z = x (y z) x y[ z(x z = z z y = z)) x = y]

49 Formalizálás Definíció Mondatok egy Σ halmazát elméletnek nevezünk, ha valahányszor Σ = F egy F mondatra, akkor F Σ. Definíció Egy Σ elméletet ellentmondástalannak nevezünk, ha Σ kielégíthető. Különben Σ ellentmondásos. Definíció Egy ellentmondástalan Σ elmélet teljes, ha minden F mondatra F Σ vagy F Σ.

50 Formalizálás Állítás Az alábbiak ekvivalensek egy Σ elméletre: i) Σ ellentmondásos. ii) Σ =. iii) Σ. iv) Van olyan F mondat, hogy F, F Σ. Bizonyítás i) ii) Ha Σ ellentmondásos, akkor Mod(Σ) =, így valahányszor A = Σ, mindig A =. ii) iii) Ha Σ elmélet és Σ =, akkor Σ. iii) iv) Legyen F =. iv) i) Nincs olyan A struktúra, melyre A = {F, F }.

51 Formalizálás Állítás Legyen K az A = (A, I) alakú struktúrák egy osztálya. Ekkor Th(K) = {F : F mondat, K = F } elmélet, ahol K = F azt jelöli, hogy A = F minden A K esetén. Ha K nemüres, akkor Th(K) ellentmondástalan. Ha K = {A} egyetlen A struktúrából áll, akkor Th(K) teljes. (Jelölés: Th(A).) Bizonyítás Ha Th(K) = F az F mondatra, akkor K = F. Tehát F Th(K). Tegyük fel, hogy K nemüres, mondjuk A K. Akkor A = Th(K) miatt Th(K) kielégíthető. Minden F mondatra, A(F ) = 0 vagy A(F ) = 1. Ha A(F ) = 0, akkor A( F ) = 1. Tehát F Th(A) vagy F Th(A).

52 Definíció Mondatok tetszőleges Σ halmazára legyen Cons(Σ) = {F : F mondat, Σ = F }. Világos, hogy Cons(Σ) elmélet. Definíció Egy T elmélet axiomatizálható, ha létezik mondatok olyan Σ rekurzív halmaza, hogy T = Cons(Σ). Ekkor Σ a T axiómarendszere. Struktúrák egy K osztályát axiomatizálhatónak nevezzük, ha létezik mondatok olyan Σ rekurzív halmaza, melyre Mod(Σ) = K. Ha Σ véges halmaz, a véges axiomatizálhatóság definícióját kapjuk. Megjegyzés Ha egy elmélet végesen axiomatizálható, akkor egyetlen mondattal is axiomatizálható.

53 Formalizálás Csoportelmélet x y z(x (y z) = (x y) z) x(x 1 = x 1 x = x) x(x x 1 = 1 x 1 x = 1) Ha a második axiómát két axiómának tekintjük, akkor a fenti axiómarendszer nem független: 1 x = (x x 1 ) x = x (x 1 x) = x 1 Tehát a második sorban szereplő axióma egyszerűsíthető. Csoportelmélet másképp x y z(x (y z) = (x y) z) x(x 1 = x 1 x = x) x y(x y = 1 y x = 1)

54 Formalizálás 54 Rendezett halmazok x y z((x < y y < z) x < z) x (x < x) x y(x < y x = y y < x) Létezik legkisebb elem x y(x < y x = y) Az I(p) predikátumot kielégítő elemeknek van legkisebb felső korlátja z ( y(p(y) y z) u( y(p(y) y u) z u) ) Itt t t a t < t t = t formula helyett áll.

55 Formalizálás Peano axiómák x( x = 0) x y(x = y x = y) x(x + 0 = x) x y(x + y = (x + y) ) x(x 0 = 0) x y(x y = x y + x) x(x 0 x = 0) x y(x y (x y x = y )) x y(x < y x = y y < x) Indukciós axióma séma: (F (0) x(f (x) F (x ))) xf (x), ahol F (x) olyan formula, melyben legfeljebb az x változó fordul elő szabadon, és F (0), F (x ) úgy állnak elő, hogy x helyébe 0-t ill. x -t helyettesítünk (ld. később).

56 Formalizálás 56 Állítás (Galois kapcsolat) Legyenek Σ, Σ 1, Σ 2 mondatok halmazai, K, K 1, K 2 struktúrák osztályai. 1 Ha Σ 1 Σ 2, akkor Mod(Σ 1 ) Mod(Σ 2 ). 2 Ha K 1 K 2, akkor Th(K 1 ) Th(K 2 ). 3 Σ Th(K) akkor és csak akkor, ha Mod(Σ) K. 4 Σ Th(Mod(Σ)). 5 K Mod(Th(K)). 6 Th(Mod(Σ)) = Th(Mod(Th(Mod(Σ)))). 7 Mod(Th(K)) = Mod(Th(Mod(Th(K)))). 8 Σ akkor és csak akkor elmélet, ha Σ = Th(Mod(Σ)). 9 K akkor és csak akkor gyengén axiomatizálható osztály, ha K = Mod(Th(K)).

57 Formalizálás 57 Bizonyítás 1 Ha Σ 1 Σ 2 és A = Σ 2, akkor A = Σ 1. 2 Ha K 1 K 2 és K 2 = F, akkor K 1 = F. 3 Ha Σ Th(K) és A K, akkor A = Σ, így A Mod(Σ). Ha Mod(Σ) K és F Σ, akkor K = F, így F Th(K). 4 Legyen K = Mod(Σ) a 3. pontban. 5 Legyen Σ = Th(K) a 3. pontban. 6 Th(Mod(Σ)) Th(Mod(Th(Mod(Σ)))) a 4. pont miatt. Mod(Σ) Mod(Th(Mod(Σ))) az 5. pont miatt. Így a 2. pontból Th(Mod(Th(Mod(Σ)))) Th(Mod(Σ)). 7 Hasonló. 8 A 6. pontból. 9 A 7. pontból.

58 Az ítéletkalkulus 58

59 Az ítéletkalkulus 59 Az elsőrendű logika azon speciális esete, amikor csak nulladrangú predikátumszimbólumok vannak, és azokból megszámlálhatóan végtelen sok van: p, q, p 1, q 1,.... Az elsőrendű változók, kvantorok és függvényszimbólumok feleslegessé válnak, elhagyjuk őket. Ekkor egy struktúra: a predikátumszimbólumokat a {0, 1} halmazba képező függvény. Ezért a predikátumszimbólumokat ítéletváltozóknak is nevezzük. Tehát modell: az ítéletváltozók egy (ki)értékelése.

60 Az ítéletkalkulus Állítás Ha F az ítéletkalkulus egy tautológiája, akkor minden olyan F formula is tautológia, amely úgy áll elő F -ből, hogy benne a p ítéletváltozókat valamely elsőrendű nyelv tetszőleges G p elsőrendű formuláival helyettesítjük. Bizonyítás Legyen A tetszőleges (elsőrendű) struktúra. Minden egyes p-re legyen B(p) = A(G p ). A logikai jelek kongruencia tulajdonságából: A(F ) = B(F ). Így ha F tautológia, akkor F is az.

61 Az ítéletkalkulus Állítás Legyenek F, G az ítéletkalkulus formulái. Az F, G elsőrendű formulák álljanak úgy elő az ítéletkalkulus F és G formuláiból, hogy bennük minden egyes p ítéletváltozót valamely H p formulával helyettesítünk. Ekkor F G esetén F G. Bizonyítás F G akkor és csak akkor, ha = (F G), és F G akkor és csak akkor, ha = (F G ). Használjuk az előző álĺıtást. Állítás Legyen Σ az ítéletkalkulus formuláinak halmaza, F az ítéletkalkulus formulája. Minden egyes p ítéletváltozóra legyen G p valamely elsőrendű nyelv egy formulája. Σ és F álljon elő Σ-ból és F -ből úgy, hogy p helyébe mindenhol G p -t helyettesítünk. Ekkor Σ = F esetén Σ = F.

62 Normálformák az ítéletkalkulusban 62

63 Normálformák Definíció Literálnak nevezünk minden p vagy p alakú formulát, ahol p változó. Ezen belül p pozitív, p pedig negatív literál. Egy l literál ellentettje { az alábbi literál: p ha l = p l = p ha l = p. Konjunktív normálformán egy n i=1 m i j=1 l i,j alakú formulát, diszjunktív normálformán pedig egy n i=1 m i j=1 l i,j alakú formulát értünk, ahol l i,j literál, i = 1,..., n, j = 1,..., m i.

64 Normálformák 64 Megjegyzés Az üres diszjunktív normálforma azonosan hamis, az üres konjunktív normálforma azonosan igaz. Diszjunktív normálforma üres tagja azonosan igaz, konjunktív normálforma üres tagja azonosan hamis. Kiköthetjük, hogy az egy tagban szereplő literálok páronként különböznek, és hogy a tagok páronként különböznek. A q 1,..., q n változók feletti normálformára kiköthetjük, hogy minden tagban minden q i változó pontosan egyszer fordul elő (teljes normálforma). Általában azonosítunk két normálformát, ha csak a tagok sorrendjében és/vagy tagonként a literálok sorrendjében különböznek.

65 Normálformák Tétel Minden formulához létezik ekvivalens konjunktív és diszjunktív normálforma. Bizonyítás 1 A formula felépítése szerinti indukcióval. 2 Adott F formulára először fejezzük ki az előforduló és műveleteket a,, műveletekkel, majd küszöböljük ki a konstansokat. Ezek után vigyük a jeleket a változók elé és elimináljuk a többszörös negációkat. Végül alkalmazzuk a disztributív azonosságokat. 3 Alkalmazzuk az,,igazságtábla módszert.

66 Boole függvények 66

67 Definíció Tegyük fel, hogy az F formula változói a {p i1,..., p in }, n 1 halmazba esnek, ahol i 1 < < i n. Ekkor F egy n-változós Boole függvényt indukál: f : {0, 1} n {0, 1} f(x 1,..., x n ) = A(F ), ahol A tetszőleges olyan értékelés, melyre A(p ij ) = x j, j = 1,..., n. Megjegyzés f független azon x j változóitól, melyekre p ij nem fordul elő F -ben. Példa F = p 1, n = 2: f(x 1, x 2 ) = x 1 F = p 1 ( p 1 p 2 ), n = 2: f(x 1, x 2 ) = x 1 x 2 F = p 1 p 1, n = 1: f(x 1 ) = 1

68 Boole függvények Tétel Minden Boole függvény indukálható valamely formulával. Bizonyítás Minden igazságtáblához készíthető konjunktív, vagy diszjunktív normálforma. Következmény Az alábbi rendszerek teljesek: {,, } {, } és {, } {, }

69 Boole függvények Definíció Tetszőleges x, y {0, 1} esetén legyen x y = (x y) = x y x y = (x y) = x y Tétel Egy kétváltozós Boole függvény akkor és csak akkor alkot önmagában teljes rendszert, ha megegyezik a és függvények valamelyikével.

70 Boole függvények Elegendőség bizonyítása x = x x x y = (x y) = (x y) (x y) Szükségesség bizonyítása Tegyük fel, hogy önmagában teljes. Ha 1 1 = 1, akkor minden egyváltozós f kifejezhető függvényre fennáll, hogy f(1) = 1. Ezért 1 1 = 0. Hasonlóan, 0 0 = 1. Ha 1 0 = 1 és 0 1 = 0, akkor x y = y és csak olyan kétváltozós függvény fejezhető ki, mely csak az egyik argumentumától függ. Szimmetrikusan, ha 1 0 = 0 és 0 1 = 1, akkor x y = x, és így ismét ellentmondáshoz jutunk. Így 1 0 = 0 1 = 1, azaz =, vagy 1 0 = 0 1 = 0, amikor =.

71 Az ítéletkalkulus kompaktsági tétele 71

72 A kompaktsági tétel 72 Tétel Formulák egy halmaza akkor és csak akkor kielégíthető, ha minden véges részhalmaza kielégíthető. Következmény Egy F formula akkor és csak akkor következménye formulák egy Σ halmazának, ha a Σ egy véges részhalmazának következménye. A következmény bizonyítása Σ = F Σ { F } nem kielégíthető Σ 0 Σ { F } véges Σ 0 nem kielégíthető Σ 0 Σ véges Σ 0 { F } nem kielégíthető Σ 0 Σ véges Σ 0 = F.

73 A kompaktsági tétel 73 Kőnig lemmája Ha egy végtelen irányított T fa minden csúcsa véges fokú, akkor T tartalmaz végtelen utat. Bizonyítás Minden n 0 számra megadható olyan x n csúcs, hogy x 0,..., x n egy (gyökértől induló) utat határoznak meg és az x n csúcsból induló részfa végtelen. Ekkor x 0, x 1,... egy végtelen utat határoznak meg. Az x n csúcsokat n szerinti indukcióval adjuk meg: x 0 a T gyökere. Ha n > 0, x n az x n 1 olyan közvetlen leszármazottja, hogy az x n -ből induló részfa végtelen. (Ilyen x n létezik.)

74 A kompaktsági tétel A kompaktsági tétel bizonyítása Elegendő belátni, hogy amennyiben Σ formulák olyan végtelen halmaza, melynek minden véges részhalmaza kielégíthető, akkor Σ kielégíthető. Minden n 0 számra jelölje Σ n a Σ azon formuláinak halmazát, melyekben legfeljebb az első n, p 1,..., p n változó fordul elő. Mivel ekvivalencia erejéig véges sok ( 2 2n ) olyan formula van, melyben legfeljebb az első n változó fordul elő, ezért feltevésünk szerint mindegyik Σ n kielégíthető. A teljes végtelen bináris fában minden végtelen út megfelel a változók egy értékelésének, és minden n mélységű csúcs az első n változó egy értékelésének.

75 A kompaktsági tétel Minden n 0 számra jelöljük meg a teljes végtelen bináris fa azon n mélységű csúcsait, amelyeknek megfelelő értékelések kielégítik a Σ n formulahalmazt. Ekkor minden n-re megjelöltünk legalább egy csúcsot, és amennyiben egy olyan y csúcs megjelölt, mely az x csúcs (közvetlen) leszármazottja, akkor x is megjelölt. Tehát a megjelölt csúcsok egy olyan végtelen fát határoznak meg, melyben minden csúcs véges fokú. Kőnig lemmája szerint ez a fa tartalmaz végtelen utat. E végtelen út által meghatározott értékelés a Σ modellje.

76 Eldöntési kérdések az ítéletkalkulusban 76

77 Eldöntési kérdések Alapvető eldöntési kérdések: Adott F formula kielégíthető-e? Adott F formula érvényes-e? Adott az F formula és a Σ = {F 1,..., F n } véges formulahalmaz, teljesül-e Σ = F? A fenti kérdések ekvivalensek, hiszen: F kielégíthető F nem érvényes, F érvényes F nem kielégíthető, Σ = F Megjegyzés (F 1 F n ) F érvényes. Nem ismert, hogy a fenti kérdések megoldhatóak-e polinomidejű algoritmussal. A kielégíthetőség NP-teljes, az érvényesség conp-teljes. (Ld. Bonyolultságelmélet kurzus.)

78 Horn formulák 78

79 Horn formulák Definíció Horn formula egy olyan F = C 1 C n konjunktív normálforma, melyben minden C i tag legfeljebb egy pozitív literált tartalmaz. Megjegyzés q 1... q k q (q 1... q k ) q q 1... q k (q 1... q k ) Ha k = 0, akkor a q q és összefüggések adódnak. Állítás Horn formulák kielégíthetősége polinomidőben eldönthető.

80 Horn formulák 80 Algoritmus Bemenet: F Horn formula Kimenet: F kielégítő értékelés, ha F kielégíthető, egyébként,,nem. Algoritmus: 1 Mindaddig, amíg F -ben van olyan (q 1... q n ) q alakú tag, hogy minden q i megjelölt, de q nem, jelöljük meg q minden F -beli előfordulását. 2 Ha létezik olyan (q 1... q n ) alakú tag F -ben, melyre a q 1,..., q n mindegyike megjelölt, akkor a válasz,,nem. 3 Ellenkező esetben legyen A az alábbi (parciális) értékelés: { 1 ha p meg van jelölve A(p) = 0 különben

81 81 Időigény Példa A ciklus legfeljebb annyiszor fut le, mint az F -ben előforduló változók száma. A ciklus egyszeri lefutásának időigénye lineáris. A teljes időigény négyzetes. F = p q ( p q r) ( q r s) ( s r) ( q s t) ( s t u) ( u t) = [ p] [ q] [(p q) r] [(q r) s] [s r] [(q s) t] [(s t) u] [(u t) ] Megjelölt változók: p, q, r, s, t, u. A formula nem kielégíthető.

82 Horn formulák Helyesség F akkor és csak akkor kielégíthető, ha az algoritmus egy A kielégítő értékeléssel áll meg. Elegendőség Ha az algoritmus egy A kiértékeléssel áll meg, akkor A kielégítő kiértékelés. Valóban, ha C egy (q 1... q n ) q alakú tag, és megálláskor mindegyik q i megjelölt, akkor q is az, így A(q 1 ) =... = A(q n ) = A(q) = 1 miatt A = C. Ha megálláskor valamely i-re q i nincs megjelölve, akkor A(q i ) = 0 és ismét A = C. Ha pedig C a (q 1... q n ) tag, akkor valamelyik q i nincs megjelölve. Így A(q i ) = 0 és A = C.

83 Horn formulák 83 Szükségesség Tegyük fel, hogy A kielégíti a formulát, de az algoritmus,,nem -mel áll meg. Ekkor A (p) = 1, valahányszor az algoritmus megjelöli a p változót. Ez könnyen igazolható a ciklus futásának száma szerinti indukcióval. Mivel az algoritmus,,nem -mel áll meg, létezik olyan (q 1... q n ) alakú tag, hogy az algoritmus a q i -k mindegyikét megjelöli. Így A nem elégíti ki ezt a tagot, hiszen A (q 1 ) =... = A (q n ) = 1. Ellentmondás. Megjegyzés Tegyük fel, hogy F nem tartalmazza a tagot. Ekkor F kielégíthető, ha nem tartalmaz p alakú tagot, vagy nem tartalmaz (q 1... q n ) alakú tagot.

84 Rezolúciós módszer 84

85 A rezolúciós módszer konjunktív normálformák (k.n.f.) kielégíthetőségének eldöntésére szolgáló módszer. Minden F = C 1... C k C i = l i1... l ini, i = 1,..., k k.n.f. felfogható úgy, mint tagok, vagy klózok egy {C 1,..., C k } halmaza, és minden C i klóz mint literálok egy {l i1,..., l ini } halmaza. Jelölje az üres klózt és az üres formulát: azonosan hamis (kielégíthetetlen), azonosan igaz (tautológia). Felhasználás: Legyenek F 1,..., F n és G formulák, és jelölje rendre F 1,..., F n az F 1,..., F n egy k.n.f.-jét, G pedig a G egy k.n.f.-jét. Így {F 1,..., F n } = G F 1... F n G kielégíthetetlen.

86 Rezolúció 86 Definíció Legyenek C 1, C 2 klózok, l C 1, l C 2. Ekkor az R = (C 1 {l}) (C 2 {l}) klózt a C 1 és C 2 egy rezolvensének nevezzük. Lemma Legyen Σ klózok halmaza, C 1, C 2 Σ és tegyük fel, hogy R a C 1 és C 2 egy rezolvense. Ekkor Σ Σ {R}. (Itt az ekvivalencia azt jelenti, hogy a két formulahalmaznak ugyanazok a modelljei.) Bizonyítás A rezolúciós következtetés helyességéből.

87 Rezolúció 87 Rezolúciós algoritmus Bemenet: F k.n.f. (ill. véges klózhalmaz) Kérdés: F kielégíthető-e? Mindaddig, amíg új klózt kapunk, képezzük két F -beli klóz valamely rezolvensét, és ezt adjuk az F halmazhoz. Ha valamikor a klózt kapjuk, F nem kielégíthető. Különben F kielégíthető. Kérdések Mindig véget ér-e az algoritmus? Helyes-e?

88 88 Példa F = (p q) ( p r) (p r) ( p q) (r q) ( r q) 1 {p, q} F -beli klóz 2 { p, r} F -beli klóz 3 {q, r} 1. és 2. rezolvense 4 { r, q} F -beli klóz 5 {q} 3. és 4. rezolvense 6 {p, r} F -beli klóz 7 { p, q} F -beli klóz 8 { r, q} 6. és 7. rezolvense 9 {r, q} F -beli klóz 10 { q} 8. és 9. rezolvense és 10. rezolvense Tehát F nem kielégíthető.

89 Definíció Legyen Σ klózok véges vagy végtelen halmaza. Ekkor Res(Σ) = Σ {R : C 1, C 2 Σ, R a C 1 és C 2 rezolvense} Jelölje Res (Σ) a legszűkebb olyan halmazt, melyre Σ és Res( ). Állítás Legyen Σ klózok halmaza, C klóz. Res (Σ) = n 0 Res n (Σ), ahol Res 0 (Σ) = Σ, Res n+1 (Σ) = Res(Res n (Σ)), n 0. C Res (Σ) akkor és csak akkor, ha létezik klózok olyan véges C 0,... C n sorozata, hogy C n = C és tetszőleges C i -re C i Σ vagy valamely j, k < i indexekre C i a C j és C k egy rezolvense.

90 Rezolúció Állítás Ha Σ klózok véges halmaza, akkor létezik olyan n 0 szám, amelyre Res n (Σ) = Res (Σ). Bizonyítás Σ = Res 0 (Σ) Res 1 (Σ) Res 2 (Σ)... Res (Σ). Továbbá, ha a Σ-beli klózokban legfeljebb a q 1,..., q k változók fordulnak elő, akkor Res (Σ) 2 2k. Így létezik olyan n, melyre Res n (Σ) = Res n+1 (Σ), és ezért Res n (Σ) = Res (Σ).

91 Rezolúció 91 Lemma Legyen Σ klózok véges vagy végtelen halmaza. Ekkor Σ Res(Σ). Állítás Klózok tetszőleges véges vagy végtelen Σ halmazára fennállnak a következők: Minden n 0 számra Σ Res n (Σ). Σ Res (Σ).

92 Rezolúció 92 Tétel Klózok egy véges vagy végtelen Σ halmaza akkor és csak akkor kielégíthetetlen, ha Res (Σ). Bizonyítás A kompaktsági tétel miatt elegendő csak véges Σ halmazokra elvégezni a bizonyítást. Elegendőség: Tegyük fel, hogy Res (Σ). Ekkor Res (Σ) kielégíthetetlen, mert az. De Σ Res (Σ), ezért Σ is kielégíthetetlen. Szükségesség: Legyen Σ kielégíthetetlen.jelölje n a Σ-beli klózokban előforduló változók számát. Teljes indukcióval belátjuk, hogy Res (Σ). n = 0. Ekkor Σ = vagy Σ = { }. Mivel Σ kielégíthetetlen, ezért Σ = { }. Így Σ Res (Σ).

93 Rezolúció 93 Bizonyítás folytatása n > 0. Legyen p olyan változó, mely előfordul Σ-beli klózban. Ha van olyan C Σ, melyre p, p C, akkor C azonosan igaz. Így Σ akkor és csak akkor kielégíthetetlen, ha Σ {C} az, és C elhagyható. Ezért feltehetjük, hogy nincs olyan C Σ, melyre p, p C. Legyen Σ 1 ={C : C Σ, p / C, p / C} {C : C / Σ, C {p} Σ}, Σ 2 ={C : C Σ, p / C, p / C} {C : C / Σ, C { p} Σ}.

94 Rezolúció 94 Bizonyítás folytatása Σ 1 és Σ 2 egyike sem kielégíthető. Valóban, ha pl. Σ 1 -et kielégít egy (parciális) értékelés, akkor Σ-t kielégíti ugyanez az értékelés azzal, hogy p értéke 0. Így az indukciós feltevés szerint Res (Σ 1 ) Res (Σ 2 ). Ezért Res (Σ), vagy {p} Res (Σ) és { p} Res (Σ). Ebből Res (Σ).

95 Deduktív rendszerek 95

96 A következőkben olyan rendszereket mutatunk be, melyekben formálisan bizonyítható, hogy egy F formula tautológia, vagy kielégíthetetlen, vagy hogy F formulák egy Σ halmazának következménye. 96

97 Hilbert rendszere 97

98 Hilbert rendszere 98 Olyan formulákat tekintünk, amelyekben nem fordul elő,,, és. Axiómák 1 (F (G H)) ((F G) (F H)) 2 F (G F ) 3 ((F ) ) F ahol F, G, H tetszőleges formulák. Szabály Leválasztás, vagy modus ponens F, F G, G ahol F, G tetszőleges formulák.

99 Hilbert rendszere Definíció Az érvényesség Hilbert-féle bizonyításának vagy levezetésnek nevezünk egy olyan F 1, F 2,..., F n sorozatot, ahol az F i formulák mindegyike 1 axióma, vagy 2 előáll az őt megelőző formulákból leválasztással. Azt mondjuk, hogy F bizonyítható, vagy levezethető, ha létezik olyan F 1,..., F n bizonyítás, melyre F = F n. Jelölés: H F.

100 Hilbert rendszere Legyen Σ formulák halmaza. Definíció Σ feletti Hilbert-féle bizonyításnak vagy levezetésnek nevezünk egy olyan F 1, F 2,..., F n sorozatot, ahol az F i formulák mindegyike 1 axióma, vagy 2 Σ-beli formula, vagy 3 előáll az őt megelőző formulákból leválasztással. Azt mondjuk, hogy F bizonyítható, vagy levezethető Σ-ból, ha létezik olyan F 1,..., F n Σ feletti bizonyítás, melyre F = F n. Jelölés: Σ H F. Tehát H F akkor és csak akkor, ha H F.

101 Hilbert rendszere Példa F F bizonyítása, ahol F tetszőleges. Legyen G = F F. 1 F (G F ), Ax 2. 2 F G, Ax 2. 3 (F (G F )) ((F G) (F F )), Ax 1. 4 (F G) (F F ), MP 1 és 3. 5 F F, MP 2 és 4. Tehát tetszőleges F -re: H F F.

102 Hilbert rendszere Példa H (G H) ((F G) (F H)). Legyen P = G H, Q = F (G H), R = (F G) (F H). Be kell látnunk, hogy H P R. 1 P Q, Ax 2. 2 Q R, Ax 1. 3 (Q R) (P (Q R)), Ax 2. 4 P (Q R), MP 2 és 3. 5 (P (Q R)) ((P Q) (P R)), Ax 1. 6 (P Q) (P R), MP 4 és 5. 7 P R, MP 1 és 6.

103 Hilbert rendszere Példa H F. Jelölje F az F formulát, és F az (F ) formulát. 1 F, Ax 2. 2 F F, Ax 3. 3 ( F F ) (( F ) ( F )), előző példa. 4 ( F ) ( F ), MP 2 és 3. 5 F, MP 1 és 4.

104 Hilbert rendszere 104 Hilbert rendszerének helyességi és teljességi tétele Tetszőleges Σ formulahalmazra és F formulára Σ = F akkor és csak akkor, ha Σ H F. Az elegendőség következik abból, hogy az axiómák tautológiák, és az MP helyes következtetési szabály. A szükségesség bizonyítását később végezzük el. Következmény Tetszőleges F formulára = F akkor és csak akkor, ha H F.

105 Hilbert rendszere Dedukciós tétel Legyen Σ formulák halmaza és legyenek F, G formulák. Σ {F } H G Σ H F G. Bizonyítás Elegendőség: Ha Σ H F G, akkor Σ {F } H F G. De Σ {F } H F, így MP szerint Σ {F } H G. Szükségesség: Tegyük fel, hogy Σ {F } H G. A levezetés hossza szerinti indukcióval igazolható, hogy Σ H F G. Tekintsük a levezetés utolsó lépését.

106 Hilbert rendszere Bizonyítás folytatása Az utolsó lépésben G Σ, vagy G axióma. Ekkor Σ H G. A 2. axióma miatt Σ H G (F G). Így MP felhasználásával Σ H F G. Az utolsó lépésben G = F. Ekkor Σ H F F az egyik korábbi példa szerint. Az utolsó lépésben G az MP-vel adódik. Ekkor valamely H formulára léteznek rövidebb Σ {F } H H G és Σ {F } H H levezetések. Indukciós feltevésből: Σ H F (H G) és Σ H F H. Az 1. axióma szerint: Σ H (F (H G)) ((F H) (F G)). Az MP kétszeri alkalmazásával: Σ H F G.

107 Hilbert rendszere Definíció Formulák egy Σ halmaza konzisztens a Hilbert rendszerben, vagy H-konzisztens, ha nem teljesül, hogy Σ H. Állítás Σ akkor és csak akkor H-konzisztens, ha nem létezik olyan F formula, hogy Σ H F és Σ H F is teljesül. Bizonyítás Ha Σ H F és Σ H F valamely F -re, akkor MP miatt Σ H. Tegyük fel, hogy Σ H. Ekkor az egyik előző példából Σ H F minden F formulára.

108 Hilbert rendszere Állítás Σ akkor és csak akkor H-konzisztens, ha minden véges részhalmaza az. Bizonyítás Minden levezetés csak véges sok Σ-beli formulát használ.

109 Hilbert rendszere Definíció Egy Σ formulahalmazt maximális H-konzisztens halmaznak nevezünk, ha H-konzisztens és nem létezik olyan F formula, hogy F / Σ és Σ {F } H-konzisztens. Lemma Minden H-konzisztens formulahalmaz kiterjeszthető maximális H-konzisztens formulahalmazzá. Bizonyítás Legyen Σ H-konzisztens, F 1, F 2,... pedig a formulák egy felsorolása. { Legyen Σ 0 = Σ és i 1 esetén Σi 1 {F Σ i = i } ha ez a halmaz H-konzisztens, Σ i 1 különben. Legyen = Σ n. n 0

110 Hilbert rendszere Bizonyítás folytatása H-konzisztens, mert minden véges részhalmaza az. Bármely F formulára, F és F közül pontosan az egyik teljesül. Valóban, ha mindkettő teljesülne, akkor MP miatt levezethető lenne -ból, ellentmondás. Ha egyik formula sincs -ban, akkor {F } és {F } nem H-konzisztensek. Így {F } H és {F } H. A dedukciós tétel szerint: H F és H (F ), ellentmondás. Így maximális H-konzisztens halmaz. Vegyük észre, hogy H F esetén F. Továbbá, a fentiek szerint, tetszőleges F formulára, F és F közül valamelyik -ban van.

111 Hilbert rendszere Tétel Formulák egy Σ halmaza akkor és csak akkor kielégíthető, ha H-konzisztens. Bizonyítás Ha Σ nem H-konzisztens, akkor Σ H. Ezért Σ = is teljesül, és így Σ kielégíthetetlen. Tegyük fel, hogy Σ H-konzisztens. Ekkor Σ kiterjeszthető egy maximális H-konzisztens formulahalmazzá. { Legyen 1 ha p, A(p) = 0 ha p /. Belátjuk, hogy A =.

112 Hilbert rendszere Bizonyítás folytatása Az F formula felépítése szerinti indukcióval belátjuk, hogy A = F akkor és csak akkor, ha F. F egy változó: triviális. F =. Mivel H-konzisztens, /. Továbbá A =. F = G H. A(F ) = 1 pontosan akkor, ha A(G) = 0 vagy A(H) = 1, ami az indukciós feltevés szerint azzal ekvivalens, hogy G / vagy H. Belátjuk, hogy pontosan ebben az esetben teljesül F. 1 Ha G /, akkor G, mivel maximális H-konzisztens halmaz. Mivel H, adódik, hogy F. 2 Ha H, akkor mivel H (G H), MP felhasználásával kapjuk, hogy F. 3 Különben G és H /. Ha F, akkor MP miatt H, ellentmondás. Tehát F /.

113 Hilbert rendszere Most újra kimondjuk korábbi tételünket: Tétel Legyen Σ formulák halmaza, F formula. Σ = F Σ H F. Bizonyítás Elegendőség triviális. Szükségesség: Σ = F Σ {F } nem kielégíthető Σ {F } nem H-konzisztens Σ H (F ) (Dedukciós tétel) Σ H F (Ax 3, MP)

114 Hilbert rendszere Megjegyzés Az előző teljességi tételből (melyet a kompaktsági tétel nélkül bizonyítottunk) következik a kompaktsági tétel. Valóban, ha Σ = F, akkor Σ H F. De minden levezetésben csak véges sok Σ-beli formulát használunk, így létezik olyan véges Σ 0 Σ halmaz, hogy Σ 0 H F. Megjegyzés Ha a 3. axiómát kicseréljük a gyengébb F axiómára, akkor az ún. intuícionista logikát kapjuk.

115 Helyettesítés újból 115

116 Helyettesítés 116 Az elsőrendű logikában a már megismert helyettesítésen kívül helyettesíthetünk termeket az elsőrendű változók helyére. Definíció Legyenek u, t termek, x változó. Ekkor az u[x/t] termet az u felépítése szerinti { indukcióval adjuk meg. t ha u = x u[x/t] = ha u változó, u különben u[x/t] = f(u 1 [x/t],..., u n [x/t]), ha u = f(u 1,..., u n ). Állítás u[x/t] úgy áll elő u-ból, hogy benne x minden előfordulását t-vel helyettesítjük.

117 Helyettesítés Definíció Legyen F formula, t term, x változó. Az F [x/t] formulát a következő módon definiáljuk: Ha F = p(t 1,..., t n ) atomi formula, akkor F [x/t] = p(t 1 [x/t],..., t n [x/t]). Ha F = vagy F =, akkor a két esetnek megfelelően F [x/t] = vagy F [x/t] =. Ha F = G, akkor F [x/t] = (G[x/t]). Ha F = G H, ahol {,,, }, akkor F [x/t] = G[x/t] H[x/t]. Ha F = QxG, ahol Q {, }, akkor F [x/t] = F. Ha F = QyG, ahol Q {, } és y x, akkor: 1 Ha y nem fordul elő t-ben, akkor F [x/t] = Qy(G[x/t]). 2 Ellenkező esetben legyen z az első olyan változó, mely nem fordul elő t-ben és F -ben. Ekkor F [x/t] = Qz(G[y/z][x/t]).

118 Helyettesítés Példa ( yp(x, y))[x/g(y)] = zp(g(y), z). Lemma Legyenek u, t termek, x változó, A = (A, I, ϕ) struktúra. Ekkor: A(u[x/t]) = A [x a] (u), ahol a = A(t). Bizonyítás u = x. Ekkor u[x/t] = t. Így: A(u[x/t]) = A(t) = a = A [x a] (x) = A [x a] (u). u változó, u x. Ekkor u[x/t] = u. Így: A(u[x/t]) = A(u) = A [x a] (u).

119 Helyettesítés 119 Bizonyítás folytatása u = f(u 1,..., u n ). Ekkor u[x/t] = f(u 1 [x/t],..., u n [x/t]). Az indukciós feltevés szerint A(u i [x/t]) = A [x a] (u i ), i = 1,..., n. Így: A(u[x/t]) = A(f(u 1 [x/t],..., u n [x/t])) = I(f)(A(u 1 [x/t]),..., A(u n [x/t])) = I(f)(A [x a] (u 1 ),..., A [x a] (u n )) = A [x a] (f(u 1,..., u n )) = A [x a] (u).

120 Helyettesítés 120 Lemma Legyen F egy formula, x egy változó, t egy term. Ekkor tetszőleges A struktúrára A(F [x/t]) = A [x a] (F ), ahol a = A(t). Bizonyítás F hossza szerinti teljes indukcióval, ahol atomi formula hossza 1. F = p(u 1,..., u n ). Ekkor F [x/t] = p(u 1 [x/t],..., u n [x/t]). Így: A(F [x/t]) = A(p(u 1 [x/t],..., u n [x/t])) = I(p)(A(u 1 [x/t]),..., A(u n [x/t])) = I(p)(A [x a] (u 1 ),..., A [x a] (u n )) = A [x a] (p(u 1,..., u n )) = A [x a] (F ).

121 Helyettesítés 121 Bizonyítás folytatása F = vagy F =. Triviális. F = G H. Ekkor F [x/t] = G[x/t] H[x/t]. Így: A(F [x/t]) = A(G[x/t] H[x/t]) = A(G[x/t]) A(H[x/t]) = A [x a] (G) A [x a] (H) = A [x a] (G H) = A [x a] (F ). F = G. Hasonló az előző esethez.

122 Helyettesítés Bizonyítás folytatása Legyen Q {, }. F = QxG. Ekkor F [x/t] = F. Így: A(F [x/t]) = A(F ) = A [x a] (F ), mert x nem fordul elő szabadon F -ben. F = QyG, ahol y x, y nem fordul elő t-ben. Ekkor F [x/t] = Qy(G[x/t]). Így: A = F [x/t] Qb A A [y b] = G[x/t] Qb A A [y b][x a] = G Qb A A [x a][y b] = G A [x a] = QyG A [x a] = F.

123 Helyettesítés Bizonyítás folytatása F = QyG, y x, y előfordul t-ben. Legyen z az első olyan változó, mely nem fordul elő t-ben és F -ben, G = G[y/z]. Ekkor F [x/t] = Qz(G [x/t]) = (QzG )[x/t]. Mivel QzG hossza megegyezik az F hosszával és z nem fordul elő t-ben, ezért az előző eset szerint: A = (QzG )[x/t] A [x a] = QzG. De az indukciós feltevést használva a 2. sorban, A [x a] = QzG Qc A A [x a][z c] = G[y/z] Qc A A [x a][z c][y c] = G Qc A A [x a][y c] = G A [x a] = QyG.

124 Helyettesítés 124 Bizonyítás folytatása Így: A = F [x/t] A = (QzG )[x/t] A [x a] = QzG A [x a] = QyG A [x a] = F.

125 Helyettesítés 125 Következmény Legyen F = QxG egy formula és y egy olyan változó, mely nem fordul elő szabadon G-ben. Ekkor F Qy(G[x/y]). Bizonyítás Minden A struktúrára, A = Qy(G[x/y]) Qb A A [y b] = G[x/y] Qb A A [y b][x b] = G Qb A A [x b] = G A = F.

126 Normálformák 126

127 Normálformák 127 Definíció Egy formulát kiigazítottnak nevezünk, ha 1 Nincs olyan változó, mely kötötten és szabadon is előfordul. 2 Különböző kvantor-előfordulások rendre különböző változókat kötnek le. Következmény Minden formula ekvivalens egy olyan kiigazított formulával, mely előáll a formulából a változók átnevezésével.

128 Normálformák 128 Definíció Egy F formula prenex alakú, ha F = Q 1 y 1... Q n y n G, ahol G kvantormentes és minden Q i kvantor. Állítás Minden F formulához létezik ekvivalens prenex alakú kiigazított formula. Bizonyítás F felépítése szerinti indukcióval. Feltehetjük, hogy F -ben nem fordulnak elő a és logikai jelek. F atomi formula. Ekkor F prenex alakú és kiigazított. F = vagy F =. Ekkor F ismét prenex alakú és kiigazított.

129 Normálformák 129 Bizonyítás folytatása F = G. Legyen Q 1 y 1... Q n y n H a G-vel ekvivalens prenex alakú kiigazított formula, mely az indukciós feltevés szerint létezik. Minden i-re legyen Q i egzisztenciális kvantor, ha Q i univerzális kvantor, és univerzális kvantor, ha Q i egzisztenciális kvantor. Ekkor Q 1y 1... Q ny n ( H) F -fel ekvivalens prenex alakú kiigazított formula.

130 Normálformák Bizonyítás folytatása F = G 1 G 2. Legyenek Q 1 y 1... Q n y n H 1 és Q 1z 1... Q mz m H 2 a G 1 -gyel és G 2 -vel ekvivalens prenex alakú kiigazított formulák. Feltehető, hogy az y i és z j változók páronként különböznek. Ekkor Q 1 y 1... Q n y n Q 1z 1... Q mz m (H 1 H 2 ) F -fel ekvivalens prenex alakú kiigazított formula. F = G 1 G 2. Az előző esethez hasonlóan.

131 Normálformák 131 Bizonyítás folytatása F = QxG. Legyen Q 1 y 1... Q n y n H a G-vel ekvivalens prenex alakú kiigazított formula. Feltehető, hogy x / {y 1,..., y n }. Ekkor QxQ 1 y 1... Q n y n H F -fel ekvivalens prenex alakú kiigazított formula. Megjegyzés Az is elérhető, hogy az F -fel ekvivalens prenex alakú kiigazított formula magja konjunktív vagy diszjunktív normálforma legyen (azaz literálok diszjunkcióinak konjunkciója, vagy literálok konjunkcióinak diszjunkciója).

132 Normálformák Definíció Skolem normálforma egy x 1... x n F alakú kiigazított formula, ahol F kvantormentes. Definíció Azt mondjuk, hogy az F és G formulák s-ekvivalensek, jelölés F s G, ha F akkor és csakis akkor kielégíthető, ha G az. Tehát a s ekvivalenciareláció nagyon durván osztályozza a formulákat. Két osztály: a kielégíthető és a kielégíthetetlen formulák. A következőkben feltesszük, hogy az elsőrendű nyelv minden n-re elegendően sok n-rangú függvényszimbólumot tartalmaz.

133 Normálformák Tétel Minden F formulához effektíven megadható vele s-ekvivalens Skolem normálforma. Bizonyítás Feltehető, hogy F = Q 1 x 1... Q n x n G alakú prenex alakú kiigazított formula. Minden olyan i-re, amelyre Q i =, elvégezzük a következő átalakítást: Legyenek z 1,..., z k az x 1,..., x i 1 változók közül azok, amelyek univerzális kvantorral vannak lekötve. 1 Töröljük a Q i kvantort a mellette levő x i -vel együtt. 2 G-ben az x i minden előfordulását f(z 1,..., z k )-val helyettesítjük, ahol f új függvényszimbólum.

134 Normálformák Az előző konstrukció helyessége az alábbi lemmán múlik. Lemma Legyen F egy x 1... x n yg alakú kiigazított formula, ahol G nem feltétlenül kvantormentes. Tegyük fel, hogy az f n-rangú új függvényszimbólum. Ekkor F s x 1... x n (G[y/f(x 1,..., x n )]). Bizonyítás F minden modelljéhez elkészíthető a jobboldalon álló formula egy modellje, és fordítva.

135 Normálformák 135 Bizonyítás folytatása Jelölje H a jobboldalon álló formulát. Ha A = F, akkor legyen B ugyanaz, mint A, azzal a különbséggel, hogy tetszőleges a 1,..., a n elemekhez I(f) rendeljen olyan b elemet, melyre A [x1 a 1 ]...[x n a n][y b] = G. Ekkor B = H. Ha B = H, akkor B = F. Következmény Minden F formulához effektíven konstruálható s-ekvivalens zárt Skolem normálforma, melynek a magja konjunktív (vagy diszjunktív) normálforma.

136 Normálformák 136 Legyen Σ tetszőleges formulahalmaz. Megadunk egy olyan Skolem normálformákból álló halmazt, hogy Σ akkor és csak akkor kielégíthető, ha az. Ha Σ = {F 1,..., F n }, akkor legyen G az F 1... F n Skolem normálformája, és = {G}. Ha Σ végtelen, akkor pl. eljárhatunk úgy, hogy Σ minden F formulájában minden x szabad változót egy új c konstansjellel helyettesítünk, majd minden formulát Skolem normálformára hozunk úgy, hogy mindig új függvényjeleket használunk.

137 Az elsőrendű logika eldönthetősége 137

138 Eldönthetőség Ebben a részben belátjuk azt, hogy az elsőrendű logika algoritmikusan eldönthetetlen. Ehhez feltesszük majd, hogy a nyelv egy bizonyos minimális bonyolultsággal rendelkezik. Ismert, hogy a Post megfelelkezési probléma, PMP algoritmikusan eldönthetetlen. Definíció Adott: a {0, 1} halmaz feletti nemüres szavakból álló rendezett párok egy (u 1, v 1 ),..., (u k, v k ) sorozata. Kérdés: Létezik-e megoldás, azaz olyan i 1,..., i n, n 1 indexsorozat, hogy u i1... u in = v i1... v in.

139 Eldönthetőség Tétel (Church) Nem létezik olyan algoritmus, mely tetszőleges formuláról eldönti, hogy tautológia-e. Következmény Nem létezik olyan algoritmus, mely tetszőleges formuláról eldönti, hogy a formula 1 kielégíthető-e, ill. 2 azonosan hamis-e. Következmény Nem létezik olyan algoritmus, mely formulák egy tetszőleges Σ véges halmazáról és egy további F formuláról eldönti, hogy Σ = F teljesül-e.

140 Eldönthetőség 140 Bizonyítás Adott K = (u 1, v 1 ),..., (u k, v k ) {0, 1} + {0, 1} + sorozathoz elkészítünk egy olyan F K formulát, hogy F K akkor és csak akkor tautológia, ha K-nak létezik megoldása. Felhasználjuk az f 0, f 1 1-rangú függvényszimbólumokat, a c konstansszimbólumot és a p 2-rangú predikátumszimbólumot. Tetszőleges u = a 1... a m {0, 1} szóra és t termre legyen f u (t) az f a1 (f a2 (... (f am (t))...)) term.